超硬磨具设计与生产管理集成化系统研究

李丽 武照云

1、河南职业技术学院汽车工程学院 2、河南工业大学机电工程学院

超硬磨具是指用人造金刚石或立方氮化硼超硬磨料所制成的磨具，是磨具的一大系列[1]。超硬磨具因其硬度高、磨损少、使用周期长、磨削温度较低、磨削比高等优点，常被广泛地应用在玛瑙、光学玻璃、半导体材料、石材等非金属材料和高钒高速钢等金属加工中。我国磨料磨具产量及消耗量巨大，然而生产这些超硬磨具的大多是中小型磨具制造企业。这些企业大多存在企业信息化程度不高、研发投入较少、管理粗放、生产周期长、产品质量不稳定等问题，严重阻碍了我国超硬磨具行业的发展。

目前在机械产品设计、制造、分析等过程中，有很多数字化辅助设计技术，如CAD、CAM、CAPP、CAE等。这些技术目前能很好地应用于一般机械产品的外观设计、力学性能分析、仿真实验中。因为磨具是由磨料、基体、结合剂和润湿剂按一定配方配料，再经过混料、成型、干燥、烧结、精加工等一系列工艺生产出的，正是工艺的独特性无法将机械零件的CAD/CAM/CAPP等技术及软件系统直接应用于磨具设计过程中。

我国工业化进程加快，也对现代制造业的磨切工具及其技术发展提出了更高的要求。通过信息化手段提高中小型超硬磨具制造企业技术发展和管理水平具有非常重要的现实意义。本文阐述了如何设计并开发适用于中小型超硬磨具制造企业的超硬磨具设计与生产管理集成化系统。

1 超硬磨具制造过程分析

超硬磨具生产要经过原材料选择、成型料配制、成型、干燥、烧结、精加工、检验等工艺流程[2]。在生产过程中，常存在的问题主要有：（1）超硬磨具配方参数的设计。配方参数的合理准确性决定了超硬磨具的性能和客户满意度，常用的配方设计方法有经验法、因素轮换法、正交试验法和回归分析法[3-5]。（2）超硬模具制造工艺参数智能优化。在传统生产中，制造工艺往往采用经验法进行人工选择，不能有效揭示各工艺参数之间的关联性，难以有效保证产品质量稳定性。（3）超硬磨具制造过程质量控制。现阶段我国中小型超硬磨具制造企业普遍存在质量稳定性较低、生产过程废品率较高、制造成本偏高等问题。究其原因，主要是目前大多数中小型超硬磨具制造企业仍然采用传统的事后检验质量控制方法，其职能仅是在产品制造完成后进行合格与否的检验。只依靠事后检验的质量控制方法已不能适应当前企业产品质量的要求，必须将质量控制贯彻到生产的全过程中。

2 系统总体结构设计

针对中小型超硬磨具制造企业特点和信息化需求，着力攻克超硬磨具设计与生产中存在的超硬磨具配方参数设计、工艺参数智能优化和制造过程质量控制等技术难题，本文以VS.NET为开发平台，设计并开发了适用于中小型超硬磨具制造企业的超硬磨具设计与生产管理集成化系统。主要功能模块有原料选择模块、成型料配制模块、成型模块、烧结模块、精加工模块等。按照数据层、应用层和界面层的三层体系架构原则[6]，对系统的总体结构进行了设计，如图1所示。

图1系统总体结构

3 关键技术

3.1 超硬磨具配方参数的设计

采用线性回归分析法对基于磨具组成材料成份配比参数进行了设计，建立了结合剂含量A、成型密度参数γ、粘合剂含量D和湿润剂含量R与磨具名义硬度X之间的数学模型，实现了科学的配方设计[7]。

式中：y—结合剂含量A、成型密度参数γ、粘合剂含量D或湿润剂含量R；

n—指数，试验点数减去1；

Ai—回归系数；

x—磨具的名义硬度。

考虑到配方中各组成材料之间的相互作用与耦合对磨具硬度的影响，再按线性回归方法建立方程。

x=β0+β1A+β2γ+β3D+β4R

式中：β0、β1、β2、β3、β4为回归系数。

利用上述线性回归分析法，建立磨具配方参数的回归设计方程；根据磨具设计的不同要求，推导各配方项的数据量计算方法，因此建立磨具配方参数的改进回归设计方法。

3.2 超硬磨具制造工艺参数智能优化

根据超硬磨具的制造工艺过程，将混料、成型、烧结、精加工等各工艺参数进行分类，深入分析各工艺参数之间的关联性以及多种因素的综合作用结果，结合实际试验数据与统计结果分析，探究各工艺参数对磨具质量和性能的综合作用机理及其影响规律。结合生产过程中的经济成本、技术要求、能源消耗、设备动力等其他要求，建立制造工艺参数的优选机制。根据工艺参数的优选机制，建立相应的工程应用数据库，基于人工神经网络方法原理，分别构建输入层/输出层/隐藏层模型、神经元模型、传播算法、学习规则、训练机制等，进而建立基于人工神经网络的磨具制造工艺参数智能优化方法。

3.3 基于SPC的超硬磨具制造过程质量控制与预警

SPC系统结构包括：质量信息采集、计算机数据处理和SPC报警三部分。操作人员将采集到的SPC的控制对象数据输入计算机，计算机负责数据处理与分析，并对工序加工状态进行监控，若发现某个工序异常，则把信息传递给SPC报警装置，报警装置再将信息反馈到相应的工艺过程，操作人员收到报警后立即分析查找导致工序失控的原因，这样可以避免上道工序的质量偏差传递到下道工序中，进而达到控制产品质量的目的。

为了将质量控制贯彻到生产的全过程中，构建“自检+首检+巡检+末检”的车间质检模式，根据检验指标类型，确定每一个检验指标对应的SPC控制图类型（计量值型控制图或计数值型控制图），根究指标检验结果，自动绘制并生成SPC控制图。根据质检信息点的分布位置与变化趋势，借助概率统计原理，定义SPC控制图的异常波动模式及对应的预警值。根据检验指标预警值集合及各指标影响关系，采用指标预警值加权方法和阈值参数定义，建立“工序级—车间级—工厂级”的多层次预警机制。

3.4 超硬磨具设计与生产管理集成化系统开发

基于上述系统总体结构与关键技术分析，以VS 2010为系统开发平台，选取C#为程序设计语言，以SQL Server 2008为系统数据库，设计并开发了超硬磨具设计与生产管理集成化系统。该系统的主要功能模块有磨具设计模块（包括原料选择、成型料配制、烧结等工序）、产品数据管理模块、生产过程规划模块、车间管理模块、产品质量监控模块等。通过实际应用，有效提高了企业生产管理的信息化水平。

4 结论

综合运用C#.NET、SQLServer、VS.NET等技术，开发了适用于中小型超硬磨具制造企业的超硬磨具设计与生产管理集成化系统，将生产中的配方设计、工艺参数选择和质量控制与生产工艺流程结合，提高了该类企业的技术水平和信息化管理水平。本文采用的系统开发方案与技术路线，对于其他同类型的制造业信息化软件系统具有一定的参考借鉴意义。